CN105098921A - 一种5V/45Ah锌银电池充电系统及其充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种5V/45Ah锌银电池充电系统及其充电方法，充电系统由电源转换电路提供工作电压，所述时钟电路的信号输出端与FPGA信号处理器的信号输入端连接，所述FPGA信号处理器的信号输出端通过总线驱动器分别与巡检控制电路、D/A数模转换电路的信号输入端连接，所述A/D信号采集电路的信号输出端与总线驱动器的信号输入端连接。本发明采用导通角9ms充放电交错的充电波形对5V/45Ah锌银电池进行充电；采用优化的充电方法对5V/45Ah锌银电池进行充电，通过巡检控制电路，可随时调节充电方法，提高锌银电池充电效率；通过数字化FPGA信号处理平台，将电池充电、单体电池电压巡检有机结合，自动化调整充电模式，具备智能充电能力。
Description
技术领域
本发明涉及锌银电池制造技术领域，具体涉及一种5V/45Ah锌银电池充电系统及其充电方法。
背景技术
锌银电池由于具备较高的比能量、比功率、较低的自放电率等特点常常被用于航空航天设备中，锌银电池充电时外电源的正极接电池的正极，外电源的负极接电池的负极。外电源的正极强行从电池的正极夺走电子，迫使正极的金属银氧化成氧化银，氧化银进一步氧化成过氧化银。由于银的氧化物的两种价态(氧化银Ag2O、过氧化银AgO)，使电池有两个高低电动势，使其充电过程呈现两个阶段。某产品将3个单体锌银电池串联起来使用，对锌银电池以2A恒流充电，其电池电压曲线可以看出充电曲线有两坪段特性如图1所示，当然这也是锌银电池的物理特性决定的。通过对锌银电池充电过程分析，采用特殊的充电过程可以达到有效性减少充电过程的“两坪段特性”。
由于锌银电池的物理特性决定，对3个单体锌银电池串联起来以2A恒流充电，与对1个单体锌银电池以2A恒流充电表现出来的电池电压曲线是相同的。由此得知，恒流充电未能减少3个锌银电池“两坪段特性”。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种5V/45Ah锌银电池充电系统，该5V/45Ah锌银电池充电系统通过提供一种基于高速D/A数模转换器的硬件和软件结合平台，通过输出充放电交错的充电波形，以及系统科学的逻辑处理和数学统计策略，并对锌银电池实时电压进行巡检，合理控制充电时间及充电电流，有效减少银电池“两坪段特性”的时间分布差异，能较好的缩短锌银电池的充电时间。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种5V/45Ah锌银电池充电系统，包括电源转换电路、FPGA信号处理器、时钟电路、总线驱动器、巡检控制电路、D/A数模转换电路和A/D信号采集电路，充电系统由电源转换电路提供工作电压，所述时钟电路的信号输出端与FPGA信号处理器的信号输入端连接，所述FPGA信号处理器的信号输出端通过总线驱动器分别与巡检控制电路、D/A数模转换电路的信号输入端连接，所述A/D信号采集电路的信号输出端与总线驱动器的信号输入端连接。
所述A/D信号采集电路的信号输出端通过光耦隔离电路与总线驱动器的信号输入端连接。
所述总线驱动器通过光耦隔离电路与D/A数模转换电路连接。
所述FPGA信号处理器还与存储电路通讯连接。
所述总线驱动器的型号为SN54LS245。
所述FPGA信号处理器还通过RS422通讯电路与上位机连接。
所述FPGA信号处理器的信号输出端还与OLED显示屏的信号输入端连接。
所述D/A数模转换电路采用的是AD766SD/883B芯片。
一种5V/45Ah锌银电池充电系统及其充电方法的充电方法，充电限制电压为12V，包括以下步骤：
(1)以充电电流为0.3A开始充电，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压大于1.95V，是则充电结束，否则转入步骤(2)；
(2)充电电流转到0.6A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转转入步骤(11)，否则转入步骤(3)；
(3)充电电流转到0.9A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(10)，否则转入步骤(4)；
(4)充电电流转到1.2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(9)，否则转入步骤(5)；
(5)充电电流转到1.5A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(8)，否则转入步骤(6)；
(6)充电电流转到2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.95V，则转入步骤(7)；
(7)充电电流转到1.5A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(8)；
(8)充电电流转到1.2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(9)；
(9)充电电流转到0.9A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(10)；
(10)充电电流转到0.6A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(11)；
(11)充电电流转到0.3A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(12)；
(12)充电结束。
所述充电电流为充放电交错的充电波形，导通角为9ms。
本发明的有益效果在于：采用导通角9ms充放电交错的充电波形对5V/45Ah锌银电池进行充电；采用优化的充电方法对5V/45Ah锌银电池进行充电，通过巡检控制电路，可随时调节充电方法，提高锌银电池充电效率；通过数字化FPGA信号处理平台，将电池充电、单体电池电压巡检有机结合，自动化调整充电模式，数字化平台实时监控充电过程，实现充电过程中，断电数据保持功能，并自动结束充电，具备智能充电能力；同时有效减少锌银电池充电过程的“两坪段特性”问题；能较好的缩短锌银电池的充电时间。
附图说明
图1是锌银电池2A恒流源充电电池电压曲线，充电曲线有两坪段特性；
图2是本发明原理框图；
图3是图2中D/A数模转换电路的电路图；
图4是本发明充电电流的波形图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图2～图4所示的一种5V/45Ah锌银电池充电系统，包括电源转换电路、FPGA信号处理器、时钟电路、总线驱动器、巡检控制电路、D/A数模转换电路和A/D信号采集电路，充电系统由电源转换电路提供工作电压，所述时钟电路的信号输出端与FPGA信号处理器的信号输入端连接，所述FPGA信号处理器的信号输出端通过总线驱动器分别与巡检控制电路、D/A数模转换电路的信号输入端连接，所述A/D信号采集电路的信号输出端与总线驱动器的信号输入端连接。
所述A/D信号采集电路的信号输出端通过光耦隔离电路与总线驱动器的信号输入端连接。
所述总线驱动器通过光耦隔离电路与D/A数模转换电路连接；所述总线驱动器的型号为SN54LS245；所述D/A数模转换电路采用的是AD766SD/883B芯片。
所述FPGA信号处理器还与存储电路通讯连接；所述FPGA信号处理器还通过RS422通讯电路与上位机连接；所述FPGA信号处理器的信号输出端还与OLED显示屏的信号输入端连接。
由于银的氧化物具有氧化银和过氧化银两种价态，使电池在充、放电时产生了高低两个坪段。高电压坪段持续的时间还和这些银的氧化物分布情况密切相关。通过分析锌银电池放电状态可得知，银电极电势实际上主要取决于最靠近导电网的地方发生的化学反应。
如果导电网附近如果是过氧化银在放电，呈现出的就是过氧化银的高电势，如下式所示：
2AgO+H2O+2e＝Ag2O+2OH-
如果是氧化银在放电,呈现的就是氧化银的低电势，如下式所示：
Ag2O+H2O+2e＝2Ag+2OH-
在用直流充电时，由于向深处反应困难，过氧化银主要集中在导电网附近，放电时这些过氧化银首先发生反应，从而显现出较长的高电压坪段。因此，如果改变充电方式，使得过氧化银不过分集中或者均匀分布等，电池充电时就会减少高电平坪段的持续时间，甚至消除高电平坪段。
如果在每个充电周期后面加入一定间隙时间，这样可以给电极反应一个缓冲时间，使得导电离子向活性物质颗粒深处扩散形成有利条件，利用放电极化抵消一部分充电极化，消除一部分浓度极化，使得反应深度加大，这样可以使得过氧化银的分布不会只集中在导电网附近，而是分布比较均匀。而且在放电时段，通过巡检当前各个单体电池的电压，根据单体电压量变换充电电流额定值。这种充电方式相应的增加了过氧化银的含量，即增加了充电容量。
一种5V/45Ah锌银电池充电系统及其充电方法的充电方法，充电限制电压为12V，包括以下步骤：
(1)以充电电流为0.3A开始充电，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压大于1.95V，是则充电结束，否则转入步骤(2)；
(2)充电电流转到0.6A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转转入步骤(11)，否则转入步骤(3)；
(3)充电电流转到0.9A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(10)，否则转入步骤(4)；
(4)充电电流转到1.2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(9)，否则转入步骤(5)；
(5)充电电流转到1.5A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(8)，否则转入步骤(6)；
(6)充电电流转到2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.95V，则转入步骤(7)；
(7)充电电流转到1.5A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(8)；
(8)充电电流转到1.2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(9)；
(9)充电电流转到0.9A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(10)；
(10)充电电流转到0.6A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(11)；
(11)充电电流转到0.3A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(12)；
(12)充电结束。
所述充电电流为充放电交错的充电波形，导通角为9ms。
本发明的充电方法通过FPGA信号处理器软件自动实现，硬件平台包括D/A数模转换电路、A/D信号采集电路、光耦隔离电路、总线驱动电路、巡检控制电路、FPGA信号处理器、存储电路、电源转换电路、时钟电路、RS422通讯电路、OLED显示屏组成。D/A数模转换电路采用AD公司的芯片AD766SD/883B产生电压模拟信号；A/D信号采集电路实现对一个单体电池电压的模电压拟信号采集，电压采集范围为0V至+2.5V，采集数据位数达12位；光耦隔离电路对输入/输出的数化信号与模拟信号隔离，提高系统的可靠性；总线驱动电路采用SN54LS245，使得FPGA信号处理器外部的+5.0V信号转换为+3.3V的电压信号连接到FPGA信号处理器，同时该电路也是FPGA信号处理器的故障隔离设计措施，确保FPGA信号处理器的故障不会导致对外接口的异常；巡检控制电路是对3个锌银电池进行分时选中，通过A/D信号采集电路对一个单体电池电压的模拟电压信号采集；FPGA信号处理器采用硬件描述语言实现锌银电池充电策略；存储电路实现对128kB的数据进行存储和读取，存储数据在微控制系统断电后不丢失确保数据的正常存储和读取；电源转换电路提供工作电压3.3v、2.5v和1.2v；时钟电路提供高性能FPGA器件工作基准频率；RS422通讯电路采用ADM3490EARZ芯片设计，将各个单体电池电压及当前充电电流实时上传到上位机，提供充电过程记录数据；OLED显示屏具备2S实时刷新功能，显示各个单体电池的电压信息。
本发明采用导通角9ms充放电交错的充电波形对5V/45Ah锌银电池进行充电；采用优化的充电方法对5V/45Ah锌银电池进行充电，通过巡检控制电路，可随时调节充电方法，提高锌银电池充电效率；通过数字化FPGA信号处理平台，将电池充电、单体电池电压巡检有机结合，自动化调整充电模式，数字化平台实时监控充电过程，实现充电过程中，断电数据保持功能，并自动结束充电，具备智能充电能力；同时有效减少锌银电池充电过程的“两坪段特性”问题；能较好的缩短锌银电池的充电时间。
Claims (10)
1.一种5V/45Ah锌银电池充电系统，包括电源转换电路、FPGA信号处理器、时钟电路、总线驱动器、巡检控制电路、D/A数模转换电路和A/D信号采集电路，充电系统由电源转换电路提供工作电压，其特征在于：所述时钟电路的信号输出端与FPGA信号处理器的信号输入端连接，所述FPGA信号处理器的信号输出端通过总线驱动器分别与巡检控制电路、D/A数模转换电路的信号输入端连接，所述A/D信号采集电路的信号输出端与总线驱动器的信号输入端连接。
2.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统，其特征在于：所述A/D信号采集电路的信号输出端通过光耦隔离电路与总线驱动器的信号输入端连接。
3.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统，其特征在于：所述总线驱动器通过光耦隔离电路与D/A数模转换电路连接。
4.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统，其特征在于：所述FPGA信号处理器还与存储电路通讯连接。
5.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统，其特征在于：所述总线驱动器的型号为SN54LS245。
6.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统，其特征在于：所述FPGA信号处理器还通过RS422通讯电路与上位机连接。
7.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统，其特征在于：所述FPGA信号处理器的信号输出端还与OLED显示屏的信号输入端连接。
8.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统，其特征在于：所述D/A数模转换电路采用的是AD766SD/883B芯片。
9.如权利要求1所述的5V/45Ah锌银电池充电系统的充电方法，充电限制电压为12V，其特征在于包括以下步骤：
(1)以充电电流为0.3A开始充电，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压大于1.95V，是则充电结束，否则转入步骤(2)；
(2)充电电流转到0.6A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转转入步骤(11)，否则转入步骤(3)；
(3)充电电流转到0.9A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(10)，否则转入步骤(4)；
(4)充电电流转到1.2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(9)，否则转入步骤(5)；
(5)充电电流转到1.5A，巡检控制电路巡检单体电池电压，检测是否有单体电池电压不小于1.95V，是则转入步骤(8)，否则转入步骤(6)；
(6)充电电流转到2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.95V，则转入步骤(7)；
(7)充电电流转到1.5A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(8)；
(8)充电电流转到1.2A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(9)；
(9)充电电流转到0.9A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(10)；
(10)充电电流转到0.6A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(11)；
(11)充电电流转到0.3A，巡检控制电路巡检单体电池电压，直到有单体电池电压不小于1.98V，则转入步骤(12)；
(12)充电结束。
10.如权利要求9所述的5V/45Ah锌银电池充电系统的充电方法，其特征在于：所述充电电流为充放电交错的充电波形，导通角为9ms。
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